模电第5章放大电路的频率响应

模拟电子技术基础 第五章 放大电路的频率响应 5.1 频率响应概述 5.2 晶体管的高频等效模型 5.4 单管放大电路的频率响应 5.5 多级放大电路的频率响应 5.3 场效应管的高频等效模型 5.6 集成运放的频率响应和频率补偿 模拟电子技术基础 5.1 频率响应概述 5.1.1 研究放大电路频率响应的必要性 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容 ， 所以电路的放大倍数为频率的函数 ， 这种关系称为 频率响应或频率特性 。 小 信号等效模型只适用于低频信号的分析。 本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频 率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的 描述方法。 模拟电子技术基础 一、 高通电路 + _ + _ C R iU OU 图 5.1.1（ a) RC 高通电路 RC C R R U U A u j 1 1 1 j 1 i O 令： L L 2 1 2 1 RCf L L L L j1 j j 1 1 j 1 1 1 f f f f f f A u 2 L L 1 f f f f A u 模： )(a r c ta n90 Lf f相角： 5.1.2 频率响应的基本概念 fL 称为下限截止频率 模拟电子技术基础 2 LL 1lg20lg20lg20 f f f fA u 则有： dB 02 0 l g L uAff 时，当 L L L lg20lg20lg20 f f f fAff u 时，当 dB32lg20lg20 L uAff 时，当 2 L L 1 f f f f A u 放大电路的 对数频率特性 称为 波特图 。 模拟电子技术基础 对数幅频特性： 实际幅频特性曲线： 图 5.1.3(a) 幅频特性 当 f fL(高频 )， 当 f fT 时， ， 三极管失去放大作用； f fT 时，由式 ；1 1 2 T 0 f f 得： ff 0T 模拟电子技术基础 3.共基截止频率 f 值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率 。 f fj1 0 模拟电子技术基础 f 与 f 、 fT 之间关系： 因为 ， 1 f fj1 0 可得 f f ff ff )1( j1 1 /j1 1 /j1 0 0 0 0 0 比较，可知与 f fj1 0 ff )1( 1 0 0 0 0 模拟电子技术基础 说明： ff )1( 1 00 0 0 ，因为： 所以： 1. f 比 f 高很多 ， 等于 f 的 (1 + 0) 倍； 2. f fT Rs， Rb rbe； (1 + gmRc)Cbc Cbe CRRgr r RR RfA u 2 1 cm be eb is i Hsm故 cbbbs )(2 1 CrR 模拟电子技术基础 cbbbs Hsm )(2 1 CrRfA u 说明： Hsm fA u 式不很严格 ， 但从中可以看出一个大 概的趋势 ， 即选定放大三极管后 ， rbb 和 Cbc 的值即被 确定 ， 增益带宽积就基本上确定 ， 此时 ， 若将放大倍数 提高若干倍 ， 则通频带也将几乎变窄同样的倍数 。 如愈得到一个通频带既宽 ， 电压放大倍数又高的放大 电路 ， 首要的问题是选用 rbb 和 Cbc 均小的高频三极管 。 * 场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅） 模拟电子技术基础 复习： 1.晶体管、场效应管的 混合 模 型 2.单管共射放大电路的 频率响应 表达式： )j1)(j1( j )j1)(j1( HL L sm H L sm s f f f f f f A f f f f A A u u u 波特图的绘制： 三段直线构成幅频特性 五段直线构成相频特性 模拟电子技术基础 5.5 多级放大电路的频率响应 5.5.1 多级放大电路频率特性的定性分析 多级放大电路的电压放大倍数： 对数幅频特性为： 在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效 电路中有 多个低通电路 。在阻容耦合放大电路中，如 有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就 含有 多个高通电路 。 unuuu AAAA 21 n k uk unuuu A AAAA 1 21 lg20 lg20lg20lg20lg20 模拟电子技术基础 多级放大电路的总相位移为： 两级放大电路的波特图 图 5.5.1 fH fL 幅频特性 f dB/lg20 uA O f L1 fH1 6 dB 3 dB 3 dB fBW1 fBW2 一 级 二 级 20dB/十倍频 40dB/十倍频 n k kn 1 21 模拟电子技术基础 图 5.5.1 相频特性 270 360 fL1 fH1 f O 540 180 450 90 一 级 二 级 多级放大电路的通频带 ， 总是比组成它的每一级的 通频带为窄 。 模拟电子技术基础 5.5.2 多级放大电路的上限频率和下限频率的估算 2 H 2 2H 2 1HH 1111.11 nffff 2L2 2L2 1LL 1.1 nffff 在实际的多级放大电路中 ， 当各放大级的时间常数 相差悬殊时 ， 可取其主要作用的那一级作为估算的依据 即： 若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率 ， 则 可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率 。 同理 若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率 ， 则可认 为整个电路的上限频率就是该级的上限频率 。 模拟电子技术基础 例 5.5.1 已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频 特性如图所示。求 下限频率、 上限频率和电压放大倍数。 （ 2）高频段只有一个拐点， 斜率为 -60dB/十倍频程，电 路中应有三个电容，为三级 放大电路。 解：（ 1）低频段只有一个 拐点，说明影响低频特性 的只有一个电容，故电路 的下限频率为 10Hz。 fH0.52fH1=(0.52 2 105)Hz=106KHz （ 3）电压放大倍数 3 5 3 ) 102 1)( 10 1( 10 f j f j jf A u 模拟电子技术基础 例 5.5.2 分别求出如图 所示 Q点稳定电路中 C1 C2和 Ce所确定的下限频 率的表达式及电路上限 频率表达式。 C1 Rc R b2 +VCC C2 RL + + + + + C e uo R b1 R e ui 图 2.4.2阻容耦合的静态工作点稳定电路 b 解：交流等效电路 图 5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路 模拟电子技术基础 1.考虑 C1对低频特性的影响 (b) C1所在回路的等效电路 1 1211 2 1 /2 1 2 1 CRR crRRR f iS bebbS LI 2.考虑 C2对低频特性的影响 (c) C2所在回路的等效电路 222 2 1 2 1 CRRf LcL 模拟电子技术基础 3.考虑 Ce对低频特性的影响 (d) Ce所在回路的等效电路 e Sbbbe e e LI CRRRrR f 1 /2 1 2 1 21 4.考虑结电容对高频特性的影响 (e)结电容所在回路的等效电路 CRRRrr f SbbbbebH H /2 1 2 1 21 比较 C1、 C2、 Ce所在回路的时间 常数 1、 2、 e,当取 C1 C2 Ce时 ， e将远小于 1, 2， 即 fLe 远大于 fL1和 fL2 因此 ， f Le就约为电路的下限频率 。 模拟电子技术基础 5.6 集成运放的频率响应和频率补偿 5.6.1 集成运放的频率响应 集成运放有很好的低频特性（ fL 0）： 集成运放直接耦合放大电路 集成运放高频特性较差： 集成运放 AOd很大， 等效电 容 或 很大；集成运放 内部需接补偿电容。 C gsC 末加频率补偿集成运放 的频率响应 图 5.6.1 末加频率补偿 模拟电子技术基础 fC 单位增益带宽 fO 附加相移为 1800 对应的频率 集成运放常引入负反馈，容 易产生自激振荡。 自激振荡产生的条件 存在 fO，且 fO fC 如何消除自激振荡？ 图 5.6.1 末加频率补偿的集成运放 的频率响应 模拟电子技术基础 5.6.2 集成运放的频率补偿 频率补偿：在集成运放电路中接入不同的补偿电路，改 变集成运放的频率响应，使 f=fO时， 20lg A0d -1800 ，从而破坏产生自 激振荡的条件，使电路稳定。 稳定裕度 幅值裕度 相位裕度 Off odm AG lg20 Cffm 0180 fC fO 一般要求 Gm-10dB, m450 模拟电子技术基础 一、滞后补偿 在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于 0dB的 频率范围内只存在一个拐点，并按 -20dB/十倍频的 斜率下降，即相当于一个 RC回路的频率响应。其附 加相移为 - 900。 1.简单电容补偿 将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级 电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降 低，以至增益隋频率始终按 -20dB/十倍频的斜率下 降，直至 0dB。 模拟电子技术基础 设某运放第二级放大电路输 入端等效电容所在回路的时 间常数最大 22011 /2 1 ii H CRRf )(/2 1 2201 1 CCRRf ii H 图 5.6.3 滞后补偿前后集成运放的幅频特性 图 5.6.4 简单电容补偿 加 C之前 加 C之后 模拟电子技术基础 将电容 C跨接在某级放大电路的输入端和输出端， 则折合到输入端的 等效电容 C/是 C的 Auk 倍， （ Auk 该级放大电路的电压放大倍数） 2.密勒效应补偿 图 5.6.5 密勒效应补偿 滞后补偿的缺点： 降低了上限频率 二、超前补偿（略）